Desenvolvimento de fotoeletrodo de heterojunção WO₃/BiVO₄ para degradação de compostos em água residual de hemodiálise

Abstract

A hemodiálise, essencial no tratamento da insuficiência renal crônica, gera efluentes contendo compostos orgânicos persistentes, como ureia e creatinina, além de resíduos farmacêuticos que representam risco ambiental. Os métodos convencionais de desinfecção, baseados em cloro, ozônio e peróxidos, frequentemente produzem subprodutos tóxicos e pouco sustentáveis. Neste contexto, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de um fotoeletrodo de heterojunção W/WO₃/BiVO₄ para a degradação fotoeletrocatalítica desses contaminantes em efluentes de hemodiálise, buscando uma alternativa eficiente e ambientalmente segura. Os eletrodos foram obtidos a partir de placas de tungstênio submetidas à anodização eletroquímica (40 V por 30 min e 50 V por 15 min), seguidas de eletrodeposição pulsada de bismuto metálico e posterior crescimento de BiVO₄ pelo método de drop-casting em solução de NH₄VO₃ anidra. Foram avaliados diferentes solventes (PEG-400, etilenoglicol e álcool terc-butílico) e parâmetros de deposição, como número de pulsos e camadas, a fim de otimizar a formação da heterojunção e maximizar a densidade de fotocorrente. As medidas de voltametria linear e cronoamperometria on-off demonstraram estabilidade e elevada separação de cargas, com desempenho superior para o eletrodo anodizado a 50 V por 15 min, dois pulsos de bismuto e cinco gotejamentos de vanadato. O eletrodo otimizado foi aplicado na degradação de efluentes reais provenientes de uma clínica de hemodiálise. As amostras foram analisadas por LC-MS/MS, permitindo quantificar as concentrações iniciais e finais de ureia e creatinina. Após duas horas de irradiação sob simulador solar (100 mW cm⁻², 1 V vs Ag/AgCl), observaram-se remoções de 37,08% da ureia e 42,23% da creatinina, evidenciando a eficiência do material desenvolvido.

Hemodialysis, essential for the treatment of chronic kidney failure, generates effluents containing persistent organic compounds such as urea and creatinine, as well as pharmaceutical residues that pose environmental risks. Conventional disinfection methods based on chlorine, ozone, or peroxides often lead to the formation of toxic and unsustainable by-products. In this context, this work proposes the development of a W/WO₃/BiVO₄ heterojunction photoelectrode for the photoelectrocatalytic degradation of these contaminants in hemodialysis effluents, seeking an efficient and environmentally safe alternative. The electrodes were prepared from tungsten plates subjected to electrochemical anodization (40 V for 30 min and 50 V for 15 min), followed by pulsed electrodeposition of metallic bismuth and subsequent growth of BiVO₄ by the drop-casting method using an anhydrous NH₄VO₃ solution. Different solvents (PEG-400, ethylene glycol, and tert-butyl alcohol) and deposition parameters, such as the number of pulses and layers, were evaluated to optimize heterojunction formation and maximize photocurrent density. Linear voltammetry and on–off chronoamperometry measurements demonstrated good stability and high charge separation efficiency, with superior performance for the electrode anodized at 50 V for 15 min, with two bismuth pulses and five vanadate depositions. The optimized photoelectrode was applied to the degradation of real effluents from a hemodialysis clinic. Samples were analyzed by LC-MS/MS to quantify initial and final concentrations of urea and creatinine. After two hours of irradiation under a solar simulator (100 mW cm⁻², 1 V vs Ag/AgCl), removals of 37.08% for urea and 42.23% for creatinine were observed, demonstrating the efficiency of the developed material.